基于蓝牙的心肺音采集系统

王琦，姚爱琴

(中北大学 教育部仪器科学与动态测试重点实验室，山西 太原 030051)

0 引言

在医疗领域沿用了多年的听诊器，外观、原理、性能没有太大区别。听诊器听诊心肺音虽然方法简单，但往往难以捕捉到人体内部脏器发出的一些微弱但却非常重要的生物声，致使医生无法及时做出诊断，且诊断的依据主要根据医师的听觉和经验，主观的因素可能造成错判，准确性较差。特别在恶劣的环境下，在凌乱的事故现场、繁忙的急救室以及嘈杂的救护车上，要使用传统的听诊器进行有效地诊断几乎是不可能的。由于心肺音是一组随时间动态变化的信号，此刻所发生的心肺音可能下一时刻就会消失于无形，而目前的传统听诊器只有可听功能而无可视功能，若能让心肺音被纪录并且重现，将有利于心肺疾病的诊断[2,6]。

随着医疗高新科技的发展，医务人员越来越关注听诊器结构的改良。目前国内与国外电子听诊器产品在价格、功能上的差异较大，自行开发和研制功能强大，性能优良，价格低廉的新型电子听诊器具有重要的临床意义。

1 心肺音采集系统总体设计

本系统包括信号采集模块、信号放大滤波分离模块、信号处理模块、信号无线传输模块和上位机（PC等）信号处理模块。整体系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

本系统的硬件设计采用模拟和数字2部分。模拟部分包括声音信号的提取和聚焦、微弱小信号的放大滤波处理和电源电路。数字电路部分包括处理器（MCU）、液晶显示电路、信号选择电路和蓝牙无线传输电路[1]。

1.1 模拟电路设计

1.1.1 声音信号的提取和聚焦模块

根据国内外的理论研究结果显示，心音信号的主要频率范围主要集中在0~500Hz 之内，肺音频率为100~1500Hz之内，均在人耳所能听到的声音范围的中低频率段，故选用驻极体传声器作为声音传感器，此传感器灵敏度高，抗干扰能力强[4]。

1.1.2 微弱小信号放大滤波处理模块

根据心肺音信号的频率，结合理论和实际测试发现在0~50Hz、1000Hz~1500Hz频带内基本上没有心肺音信号,为了达到更好的滤出带外噪声和分离出心音、心肺音和肺音3组信号的目的，我们对所使用滤波器做了相应的处理，设计了4组滤波器：30Hz巴特沃斯高通滤波器、100Hz巴特沃斯高通滤波器、500Hz巴特沃斯低通滤波器、1000Hz巴特沃斯低通滤波器。

1.1.3 电源模块

本系统电源共3组：+5V、-5V和+3.3V。供电电源由2块3.7V的锂电池提供，通过78M05转化为+5V电源，通过ZY0505IASK电源模块逆变为-5V、-5V电源为运算放大器提供电源。+5V电源通过LDO-AMS1117转化为+3.3V,为AVR单片机及蓝牙模块提供电源。

定压输入、稳压双输出隔离电源模块效率高、体积小、可靠性高、耐冲击、隔离特性好，温度范围宽。国际标准引脚方式，阻燃封装（UL94-V0），自然冷却，无需外加散热片，无需外加其他元器件可直接使用，并可直接焊接于PCB板上。该系列电源模块具有良好的电磁兼容性，输出纹波及噪声非常小，适合于供电电源稳定，对输出电压及纹波要求较高的电路。

1.1.4 A/D转换模块

本系统选择AD公司的 AD9214 作为采样芯片。该芯片采样率快、分辨率高，其输出电平和输出编码符合后端器件对输入信号的要求。

1.2 数字电路设计

1.2.1 处理器（MCU）

从项目要求和处理器内部资源综合考虑，信号处理单元选择AVR单片机中的ATmega16系列作为处理器。此芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。

1.2.2 液晶显示模块

为了能更好的实现系统跟用户的交互，使用户能够更好的控制整个系统，此系统采LCM12864作为液晶显示[7-8]。本系统中12864与单片机采用并行间接连接方式，其电路图如图2所示。

1.2.3 信号选择模块

根据心肺音的频率特点，选择恰当的低通、高通滤波器，再设置1个多向选择开关对它们进行分别选取，即可有效的采集和分离心、肺音。本系统信号选择开关使用模拟开关HEF4066集成块。HEF4066有4组独立的模拟开关。每1组开关有2个双向的输入输出端（Y/Z）和1个高电平使能控制输入端（E）。当Z连接到VDD时，Y和E处于低阻抗的导通状态；当Z连接带VSS或地，开关禁止，Y和E表现为高阻抗。4组滤波器的输入输出端连接到模拟开关的输入输出端口，通过控制模拟开关的控制端电平，使信号分为3组：心音信号、肺音信号、心肺音混合信号。

图2 单片机及LCD液晶显示

1.2.4 蓝牙无线传输模块[5]

我们通过蓝牙模块GC—06实现下位机与上位机（PC）之间的无线连接。GC—06蓝牙模块的引脚定义如表1所示，该模块支持USB口、RS232串行口、Audio语音口的无线通讯，不仅模块之间可以相互通讯，而且模块与目前市场上所有的蓝牙设备都可以进行相应的蓝牙数据、语音通讯[3]。

本系统使用蓝牙模块的RS232串行接口，由UART_RXD(11脚 )、UART_TXD(12脚 )、UART_RTS(13脚)、UART_RTS(14脚)组成，串口波特率、起始位、停止位、奇偶校验位由编程设定，最大波特率为1.4Mbps。串口为TTL电平，与计算机串口通信时要搭建RS电平转换器（如MAX232），计算机最大波特率为115.2Kbps。复位口RST（29脚）为高电平有效，平时下拉一个2kΩ电阻接地。

表1 GC-06模块引脚定义

2 实验与结论

实验结果表明：该无线数据采集模块可以实现8路不同模式（连续模式、点检模式等）数据采集，4路高低电平控制等功能，数据采集速率最高可达115.2kHz,数据传输速率最高可达1.4Mbps，具有较强的实用性。

本文立足于医生临床诊断的迫切需要和广阔的医疗器械市场需求，结合最新涌现的微电子技术和无线通信蓝牙技术，开展可分离心、肺音的多功能无线可视化电子听诊器的研究。所设计的系统集传统听诊器、电子听诊器及心音图机为一体，在有选择地单独听取心音或肺音的同时，能够观察心肺音波形、提供心率等生理参数，显示、存储与回放心肺音；借助于与PC或PDA的无线连接，可以实时分析心肺音，甚至可以实现远程会诊。

[1] 卢伟国.基于蓝牙的无线数据采集系统[J].电测与仪表, 2002(9):26-29.

[2] 武丽, 李翔. 新型多功能电子听诊器的结构及工作原理[J].西南科技大学学报,2003(1):35-38.

[3] 刘晓东等.基于蓝牙的心音采集系统中串行数据通信的研究和实现[J].北京生物医学工程,2005(1):51-55.

[4] 徐君健,刘贤兴.HPF(高通滤波器)检测高次谐波和无功电流改进方法的研究[J].电测与仪表,2006(10):8-11.

[5] 殷伟凤，刘高平．基于SOPC蓝牙-以太网接口适配器的设计[J]．计算机应用，2004(9)：27-29.

[6] 唐卓尧、任震，并联型混合滤波器及其滤波特性分析[J]， 中国电机工程学报, 2000(5).

[7] 沈雷鸣，电子听诊器的设计与制作[J]，护理学杂志.2005,20(4):21.

[8] 陈峰．Blackfin系列DSP原理与系统设计[M].北京:电子工业出版社，2004.